JP2013245563A - 内燃機関の排気再循環システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の暖機運転時にＥＧＲクーラをエンジン冷却水のウォーマとして積極的に利用することにより、内燃機関の暖機時間を短縮し、ひいては燃料消費率を向上させる。
【解決手段】ＥＧＲ通路１１と、水冷式のＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲバルブ１３と、ＥＧＲクーラ１２の下流のＥＧＲ通路１１から分岐して、排気通路３に合流するバイパス通路１８と、バイパス通路１８を閉塞し且つバイパス通路１８の合流部上流の排気通路３を開放する通常位置と、バイパス通路１８を開放し且つバイパス通路１８の合流部上流の排気通路３を閉塞するバイパス位置とに切り替えられる通路切替手段１９と、内燃機関１の暖機運転時であるか否かを判定する暖機運転時判定手段２０と、暖機運転時を除く通常運転時に、通路切替手段１９を前記通常位置とし、暖機運転時には、通路切替手段１９を前記バイパス位置とする制御手段２１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気再循環システムに関する。

ディーゼルエンジンの場合、内燃機関の理論空燃比（ストイキ）に対し、空気が過剰となる燃焼（希薄燃焼）のため、かなりの量の排気ガスを内燃機関の排気側から吸気側に再循環させることができる（ＥＧＲ率又はＥＧＲ量を上げることができる）。多量の排気ガスを再循環させるとＥＧＲガス（排気再循環ガス）の温度が高くなり、排気ガスをそのまま吸気側へ戻したのでは内燃機関の筒内燃焼温度が高くなり、ＮＯｘ（窒素酸化物）が発生し易くなる。ＮＯｘの発生を抑制するため、吸気側に再循環させる排気ガスの温度をＥＧＲクーラにより下げ、吸気側へ戻してやることが必要になる。ＥＧＲクーラを内燃機関に装着することにより、ＮＯｘが減り且つ内燃機関の出力が向上し、燃料消費率も改善される。

一般的に、ＥＧＲクーラは、排気ガスをエンジン冷却水により冷却する構成の熱交換器である。ＥＧＲクーラとしては、排気ガスに対する耐食性を有するステンレスを主材にＮｉロー付又は溶接構造で多板式やシェルチューブ式等のものが知られている。

このようなＥＧＲクーラを備えた排気再循環システムは、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００８−２８０８６７号公報

ＥＧＲクーラは、吸気側に再循環させる排気ガスの温度を下げるために利用されており、排気ガスの温度が低い場合には積極的に利用されていない。内燃機関の暖機運転時にＥＧＲクーラをエンジン冷却水のウォーマ（冷却水ウォーマ）として積極的に利用することができれば、より短時間でエンジン冷却水を適切な温度に昇温することが可能である。しかしながら、一般的な排気再循環システムでは、内燃機関の運転状態に基づいてＥＧＲ率又はＥＧＲ量が決定され、また、ＥＧＲクーラに流れる排気ガスは全量の内の一部であるため、内燃機関の暖機運転時にＥＧＲクーラを冷却水ウォーマとして積極的に利用することが困難であった。

そこで、本発明の目的は、内燃機関の暖機運転時にＥＧＲクーラをエンジン冷却水のウォーマとして積極的に利用することにより、内燃機関の暖機時間を短縮し、ひいては燃料消費率を向上させることにある。

上述の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気再循環システムは、内燃機関の排気通路から吸気通路へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に配設され、前記内燃機関の内部を循環するエンジン冷却水との熱交換により排気ガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラよりも下流側の前記ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲバルブと、前記ＥＧＲクーラと前記ＥＧＲバルブとの間の前記ＥＧＲ通路から分岐して、前記ＥＧＲ通路の接続部よりも下流側の前記排気通路に合流するバイパス通路と、前記バイパス通路を閉塞し且つ前記ＥＧＲ通路の接続部と前記バイパス通路の合流部との間の前記排気通路を開放する通常位置と、前記バイパス通路を開放し且つ前記ＥＧＲ通路の接続部と前記バイパス通路の合流部との間の前記排気通路を閉塞するバイパス位置とに切り替えられる通路切替手段と、前記内燃機関の暖機運転時であるか否かを判定する暖機運転時判定手段と、前記内燃機関の暖機運転時を除く通常運転時に、前記通路切替手段を前記通常位置とし、前記内燃機関の暖機運転時には、排気ガスを前記ＥＧＲクーラに流すと共に前記ＥＧＲクーラを通過した排気ガスを前記バイパス通路を介して前記排気通路に戻すべく、前記通路切替手段を前記バイパス位置とする制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

前記通路切替手段は、前記バイパス通路と前記排気通路との合流部に配設されたバイパス開閉バルブから構成されるものであっても良い。

前記ＥＧＲクーラが、前記ＥＧＲ通路に複数並列に配設されるものであっても良い。

本発明によれば、内燃機関の暖機運転時にＥＧＲクーラをエンジン冷却水のウォーマとして積極的に利用することにより、内燃機関の暖機時間を短縮し、ひいては燃料消費率を向上させることができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気再循環システムを示す概略構成図である。 図１のＡ部拡大図であり、（ａ）はバイパス開閉バルブを通常位置とした状態を示し、（ｂ）はバイパス開閉バルブをバイパス位置とした状態を示す。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の排気再循環システムを示す概略構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気再循環システムを示す。

図１に示す内燃機関１は、内燃機関１に吸気を供給する吸気通路（吸気管）２と、内燃機関１からの排気ガスを排出する排気通路（排気管）３と、内燃機関１に供給する吸気を昇圧するためのターボチャージャ（過給機）４とを備える。

内燃機関１は、例えば、ディーゼルエンジンから構成される。なお、内燃機関１は、ガソリンエンジン等であっても良い。

ターボチャージャ４は、排気通路３の途中に配設されたタービン４ａと、吸気通路２の途中に配設され、タービン４ａにより回転駆動されるコンプレッサ４ｂとを有する。タービン４ａよりも下流側の排気通路３には、排気ブレーキバルブ５及びマフラー６等が配設される。コンプレッサ４ｂよりも上流側の吸気通路２にはエアクリーナ７等が配設され、コンプレッサ４ｂよりも下流側の吸気通路２にはインタークーラ８等が配設される。

排気再循環システム１０は、タービン４ａよりも上流側の排気通路３から排気ガスを取り出す所謂高圧ＥＧＲを行うものである。なお、排気再循環システム１０は、タービン４ａよりも下流側の排気通路３から排気ガスを取り出す所謂低圧ＥＧＲを行うものであっても良い。

排気再循環システム１０は、タービン４ａよりも上流側の排気通路３とコンプレッサ４ｂよりも下流側の吸気通路２とを連通して、排気通路３から吸気通路２へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）１１と、ＥＧＲ通路１１に配設されたＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲクーラ１２よりも下流側のＥＧＲ通路１１に配設されたＥＧＲバルブ１３とを備える。

ＥＧＲクーラ１２は、内燃機関１の内部を循環するエンジン冷却水との熱交換により排気ガスを冷却する水冷式のものである。ＥＧＲクーラ１２は、所謂多板式のものであっても良く、所謂シェルチューブ式のものであっても良い。ＥＧＲクーラ１２は、内燃機関１の冷却回路１４に接続されており、その冷却回路１４には、ＥＧＲクーラ１２の他、ウォーターポンプ１５や水冷式のオイルクーラ１６等が配設される。オイルクーラ１６は、冷却回路１４においてＥＧＲクーラ１２の下流に配設されている。なお、図１においては、冷却回路１４の一部のみを示している。

ＥＧＲバルブ１３は、吸気通路２に再循環させる排気ガスの流量（ＥＧＲ率又はＥＧＲ量）を調整するためのものであって、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１７により開度制御されるものである。具体的には、ＥＣＵ１７は、内燃機関１の運転状態（エンジン回転やエンジン負荷等）に基づいて、ＥＧＲバルブ１３の開度を制御するようになっている。

また、排気再循環システム１０は、ＥＧＲ通路１１に設けられるバイパス通路（バイパス管）１８と、バイパス通路１８を閉塞する通常位置とバイパス通路１８を開放するバイパス位置とに相互に切り替えられる通路切替手段１９と、内燃機関１の暖機運転時であるか否かを判定する暖機運転時判定手段２０と、通路切替手段１９を切替制御する制御手段２１とを備える。

バイパス通路１８は、ＥＧＲクーラ１２とＥＧＲバルブ１３との間のＥＧＲ通路１１から分岐して、ＥＧＲ通路１１の接続部Ｘ（図２参照）よりも下流側の排気通路３に合流するものである。

通路切替手段１９は、バイパス通路１８を閉塞し且つＥＧＲ通路１１の接続部Ｘとバイパス通路１８の合流部Ｙ（図２参照）との間の排気通路３を開放する通常位置と、バイパス通路１８を開放し且つＥＧＲ通路１１の接続部Ｘとバイパス通路１８の合流部Ｙとの間の排気通路３を閉塞するバイパス位置とに切り替えられる。通路切替手段１９は、バイパス通路１８と排気通路３との合流部Ｙに配設されたバイパス開閉バルブ２２から構成される。バイパス開閉バルブ２２は、排気通路３内に回動可能に設けられた板状の弁体を有するものである。なお、バイパス開閉バルブ２２は、図１に示すものには限定はされず、他の形式のバルブであっても良い。

ＥＣＵ１７が、内燃機関１の暖機運転時であるか否かを判定する暖機運転時判定手段２０の機能を有している。

暖機運転時判定手段２０としてのＥＣＵ１７は、油温計（油温センサ）２３により検出されるエンジンオイルの温度（油温）に基づいて、内燃機関１の暖機運転時であるか否かを判定するようになっている。具体的には、ＥＣＵ１７は、油温計２３により検出される油温が所定温度未満のときは、内燃機関１の暖機運転時であると判断し、油温が所定温度に達したときに、内燃機関１の暖機運転時でない（暖機完了又は通常運転時である）と判断する。

なお、ＥＣＵ１７は、水温計（水温センサ）２４により検出されるエンジン冷却水の温度（水温）に基づいて、内燃機関１の暖機運転時であるか否かを判定するものであっても良い。具体的には、ＥＣＵ１７は、水温計２４により検出される水温が所定温度未満のときは、内燃機関１の暖機運転時であると判断し、水温が所定温度に達したときに、内燃機関１の暖機運転時でない（暖機完了又は通常運転時である）と判断するものであっても良い。

ＥＣＵ１７が、バイパス開閉バルブ２２（通路切替手段１９）を切替制御する制御手段２１の機能を有している。

制御手段２１としてのＥＣＵ１７は、内燃機関１の暖機運転時でない（内燃機関１の暖機運転時を除く通常運転時である）と判断したときに、バイパス開閉バルブ２２を通常位置とするようになっている（図２（ａ）参照）。即ち、内燃機関１の通常運転時には、ＥＣＵ１７によって、排気ガスの全量の内の一部をＥＧＲクーラ１２に流すバルブ動作をバイパス開閉バルブ２２に与える（ＥＧＲ通路１１の接続部Ｘとバイパス通路１８の合流部Ｙとの間の排気通路３を開放すると共にバイパス通路１８を閉塞する）。

また、ＥＣＵ１７は、内燃機関１が停止する際にも、内燃機関１の通常運転時と同様に、バイパス開閉バルブ２２を通常位置とするようになっている（図２（ａ）参照）。内燃機関１の停止時にバイパス開閉バルブ２２を通常位置としておくのは、フェールセーフのためである。

一方、ＥＣＵ１７は、内燃機関１の暖機運転時であると判断したときには、バイパス開閉バルブ２２をバイパス位置とするようになっている（図２（ｂ）参照）。即ち、内燃機関１の暖機運転時には、ＥＣＵ１７によって、排気ガスの全量をＥＧＲクーラ１２に流すバルブ動作をバイパス開閉バルブ２２に与える（ＥＧＲ通路１１の接続部Ｘとバイパス通路１８の合流部Ｙとの間の排気通路３を閉塞すると共にバイパス通路１８を開放する）。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態では、ＥＧＲクーラ１２とＥＧＲバルブ１３との間のＥＧＲ通路１１から分岐して、ＥＧＲ通路１１の接続部Ｘよりも下流側の排気通路３に合流するバイパス通路１８をＥＧＲ通路１１に設け、バイパス通路１８と排気通路３との合流部Ｙにバイパス開閉バルブ２２を配設している。そして、内燃機関１の暖機運転時には、バイパス開閉バルブ２２をバイパス位置（ＥＧＲ通路１１の接続部Ｘとバイパス通路１８の合流部Ｙとの間の排気通路３を閉塞すると共に、バイパス通路１８を開放する状態）とし、排気ガスの全量をＥＧＲクーラ１２に流す。また、バイパス開閉バルブ２２がバイパス位置とされる内燃機関１の暖機運転時には、ＥＧＲクーラ１２を通過した排気ガスの大部分はバイパス通路１８を介して排気通路３に戻され、ＥＧＲバルブ１３の開度に応じた量の排気ガスのみがＥＧＲガスとして吸気通路２に再循環される。

内燃機関１の暖機運転時に、バイパス開閉バルブ２２をバイパス位置とし、排気ガスの全量をＥＧＲクーラ１２に流すことで、ＥＧＲクーラ１２を冷却水ウォーマとして用いることが可能になる。即ち、ＥＧＲクーラ１２に流れる排気ガスの量を最大限（全量）とすることにより、ＥＧＲクーラ１２を通過する排気ガスによってより短時間でエンジン冷却水を適切な温度に昇温することが可能になる。従って、内燃機関１の暖機時間を短縮し、ひいては燃料消費率を向上させることができる。

さらに、エンジン冷却水を早期に昇温することで、内燃機関１の暖機運転時に、オイルクーラ１６をエンジンオイルのウォーマ（オイルウォーマ）として用いることも可能になる。即ち、オイルクーラ１６を通過するエンジン冷却水の温度がエンジンオイルの温度よりも高い状態であれば、オイルクーラ１６を通過するエンジン冷却水によってエンジンオイルを昇温することが可能となり、内燃機関１の暖機時間を短縮することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、図３に示すように、ＥＧＲクーラ１２をＥＧＲ通路１１に複数並列に配設しても良い。このようにＥＧＲクーラ１２を複数並列に配設することにより、ＥＧＲクーラ１２の大容量化を達成しつつ、通路抵抗の増大抑制を達成することが可能となる。なお、図３においては、ＥＧＲクーラ１２を二個並列に配設した例を示しているが、ＥＧＲクーラ１２を三個以上並列に配設しても良いのは勿論である。また、図３においては、冷却回路１４の図示を省略している。

また、図示はしないが、通路切替手段１９が、バイパス通路１８に配設され、バイパス通路１８を開閉する開閉バルブ（以下、バイパス通路開閉バルブ）と、ＥＧＲ通路１１の接続部Ｘとバイパス通路１８の合流部Ｙとの間の排気通路３に配設され、当該排気通路３を開閉する開閉バルブ（以下、排気通路開閉バルブという）とから構成されても良い。この場合、制御手段２１としてのＥＣＵ１７は、内燃機関１の通常運転時（及び内燃機関１の停止時）に、バイパス通路開閉バルブを閉とし且つ排気通路開閉バルブを開とし（通常位置）、内燃機関１の暖機運転時には、バイパス通路開閉バルブを開とし且つ排気通路開閉バルブを閉とする（バイパス位置）。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
１０ 排気再循環システム
１１ ＥＧＲ通路
１２ ＥＧＲクーラ
１３ ＥＧＲバルブ
１８ バイパス通路
１９ 通路切替手段
２０ 暖機運転時判定手段
２１ 制御手段
２２ バイパス開閉バルブ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路から吸気通路へと排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に配設され、前記内燃機関の内部を循環するエンジン冷却水との熱交換により排気ガスを冷却する水冷式のＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲクーラよりも下流側の前記ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲバルブと、
   前記ＥＧＲクーラと前記ＥＧＲバルブとの間の前記ＥＧＲ通路から分岐して、前記ＥＧＲ通路の接続部よりも下流側の前記排気通路に合流するバイパス通路と、
   前記バイパス通路を閉塞し且つ前記ＥＧＲ通路の接続部と前記バイパス通路の合流部との間の前記排気通路を開放する通常位置と、前記バイパス通路を開放し且つ前記ＥＧＲ通路の接続部と前記バイパス通路の合流部との間の前記排気通路を閉塞するバイパス位置とに切り替えられる通路切替手段と、
   前記内燃機関の暖機運転時であるか否かを判定する暖機運転時判定手段と、
   前記内燃機関の暖機運転時を除く通常運転時に、前記通路切替手段を前記通常位置とし、前記内燃機関の暖機運転時には、排気ガスを前記ＥＧＲクーラに流すと共に前記ＥＧＲクーラを通過した排気ガスを前記バイパス通路を介して前記排気通路に戻すべく、前記通路切替手段を前記バイパス位置とする制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気再循環システム。
2. 前記通路切替手段は、前記バイパス通路と前記排気通路との合流部に配設されたバイパス開閉バルブから構成される請求項１に記載の内燃機関の排気再循環システム。
3. 前記ＥＧＲクーラが、前記ＥＧＲ通路に複数並列に配設される請求項１又は２に記載の内燃機関の排気再循環システム。